インピーダンスマッチングって、そもそもナニ?

インピーダンスマッチングとは

高周波信号の測定や無線機器(送信機)からアンテナへの接続などではインピーダンスの整合(インピーダンスマッチング)が必要です。インピーダンスマッチングを簡単に言うと…

「信号を送る側と信号を受ける側のインピーダンスを同じにすること」

目的1:最大の電力を転送するため

信号を送る側と信号を受ける側にはそれぞれインピーダンスがあり、次のような直流で考えるとわかりやすいです。

E送る側の電圧(V)
R1送る側のインピーダンス(Ω)
R2受け側のインピーダンス(Ω)
IR2に流れる電流(A)

ここで、オームの法則(電圧 = 電流 × 抵抗)を思い出してください。この式を変形すると、電流 = 電圧 ÷ 抵抗 となりますが、これをさきほどの回路にあてはめると、電流Iは

となります。さらに、R2で消費される電力Pは電流の2乗×抵抗となりますので、P = I2×R2

ここで、仮にE = 10V, R1 = 50ΩとしてR2(横軸)に対するPの値をExcelで計算すると次のようになります。

このグラフを見てわかることは、R2=50ΩのときにPが最大になっているということです。このときのR1は固定(50Ω)ですから、R1=R2のときに電力Pが最大になっているとなります。つまり、電力を送る側と受ける側のインピーダンスが等しいときに最大の電力を送ることができるという訳です。
このことは交流でも同様の結果になり、例えば無線の送信機からアンテナに電波を送るときも送信機の出力インピーダンスとアンテナのインピーダンスが同じとき、アンテナから最大の電力が放出されます。これがインピーダンスマッチングをおこなう理由のひとつです。

目的2:信号の反射を抑えるため

高周波信号を送るとき、インピーダンスマッチングされていないと受け側に送った信号の一部が反射して戻ってくるという現象が発生します。この戻ってくる信号を反射波と呼び、送る側のインピーダンスと受け側のインピーダンスが同じときに反射波が最小となります。この反射波が大きい状態で送信機から電波を送ると最悪の場合、送信機にダメージを与えることもありますので、通常はインピーダンスマッチングにより反射波が最小になるようにアンテナ等を調整します。

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